楊磊, 劉瀚*, 黃廣炎,2, 田相鵬

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心, 重慶 401120)

0 引言

自1970年到2020年間,全球共出現(xiàn)20.97萬次恐怖主義事件,其中爆炸恐怖襲擊9.82萬次,占總襲擊數(shù)量的46.8%,已造成至少17.4萬人死亡,40.2萬人不同程度受傷[1]。爆炸載荷的首要主導(dǎo)危害因素為爆炸沖擊波效應(yīng),它是由爆轟產(chǎn)物急劇膨脹,強(qiáng)烈壓縮周圍空氣介質(zhì),使其壓力、密度迅速躍升而形成的[2]。沖擊波超壓會(huì)壓縮損傷人體胸腹部、腦部等重要器官,同時(shí)沖量和動(dòng)壓引起的拋擲效應(yīng)也會(huì)使人體腦部和骨骼承受巨大沖擊,造成人員重傷甚至死亡[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),爆炸沖擊導(dǎo)致的創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)和肺部損傷是近年來武裝沖突和恐怖襲擊中人員受傷的重要原因之一[4-6]。因此爆炸沖擊波安全防護(hù)一直是世界各國(guó)應(yīng)急處置領(lǐng)域研究的重要問題。

為快速應(yīng)對(duì)恐怖襲擊中突發(fā)的爆炸威脅,學(xué)者們針對(duì)爆炸沖擊波防護(hù)方法與緩解機(jī)理開展了大量研究工作。Zhu等[7]設(shè)計(jì)了一種空心圓柱水屏障,通過沖擊波的反射和繞射,該結(jié)構(gòu)可顯著降低結(jié)構(gòu)側(cè)壁面外的峰值壓力和脈沖沖量。Zhou等[8]對(duì)水和聚氨酯組成的抗爆結(jié)構(gòu)開展了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)材料的排布順序?qū)Ρㄏ魅踝饔脦缀鯖]有影響,而爆炸波的繞射偏轉(zhuǎn)是沖擊波防護(hù)的主要機(jī)理。Chen等[9]通過試驗(yàn)和仿真發(fā)現(xiàn)矩形水墻最多可使墻后沖擊波超壓下降89%,與剛性墻結(jié)果基本一致,說明沖擊波的繞射和反射是主導(dǎo)削波機(jī)理。陳鵬宇等[10]發(fā)現(xiàn)水霧對(duì)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸沖擊波具有顯著的耗散和衰減作用。王成等[11]研究了不同端面重墻的爆炸沖擊波防護(hù)性能,以重墻的殘余傾覆角為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將計(jì)算結(jié)果劃分為3種破壞等級(jí)。由此可見,現(xiàn)有研究工作主要圍繞簡(jiǎn)化材料或等效結(jié)構(gòu)開展,對(duì)于典型防爆裝備缺乏系統(tǒng)性的評(píng)估研究。

目前為止,僅有少量關(guān)于成型防爆裝備,尤其是柔性防爆裝備沖擊波防護(hù)性能的研究報(bào)道。Jiang等[12]在剛性防爆罐迎爆面和出口處分別放置 PCB壓力傳感器,以測(cè)量罐體壁面壓力分布規(guī)律。劉春美等[13]研究了一種由高強(qiáng)纖維材料、高彈性材料及高速凝膠體組成的復(fù)合防爆裝置,通過靜爆試驗(yàn)獲得了人員一級(jí)/二級(jí)防護(hù)等級(jí)下的抗爆判據(jù)。年鑫哲等[14]建立了一種以高強(qiáng)聚乙烯纖維布為墻面、以型鋼為多跨框架的防爆墻數(shù)值模型,發(fā)現(xiàn)柔性墻后透射壓力與繞射壓力變化規(guī)律不同,需要區(qū)別對(duì)待分析。上述國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究重點(diǎn)在于復(fù)雜防爆結(jié)構(gòu)的抗爆性能,其仍屬于防爆裝備的簡(jiǎn)化模型分析,而對(duì)于典型防爆裝備沖擊波防護(hù)性能的系統(tǒng)性評(píng)估很少,有待研究者深入研究。

本文開展3種不同防護(hù)條件下的內(nèi)爆載荷防護(hù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬。對(duì)比研究了不同防護(hù)條件對(duì)爆炸沖擊波到達(dá)時(shí)間、超壓峰值、正壓作用時(shí)間和正壓沖量的影響,分析了兩種典型防爆裝備的響應(yīng)過程與防護(hù)機(jī)理,獲得了典型裝備沖擊波超壓削弱防護(hù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。本文研究結(jié)果表明:兩種典型防爆裝備在不同當(dāng)量?jī)?nèi)爆炸下顯示出不同的防護(hù)規(guī)律和防爆機(jī)理,有望為防爆結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供直接數(shù)據(jù)參考。

1 爆炸防護(hù)性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品及工況

本文采用防爆罐對(duì)不同藥量TNT內(nèi)爆炸沖擊波載荷進(jìn)行近場(chǎng)初始抑制和防護(hù),并對(duì)比研究空爆(FAB)及兩種典型的防護(hù)裝備:一種是Q235鋼鋼材制成的鋼質(zhì)防爆罐(SEP),其多為圓柱狀頂部開口容器,側(cè)壁可攔截沖擊波和破片,并通過頂部開口改變爆炸能量傳播方向,從而起到削弱周向沖擊波強(qiáng)度的目的;一種是由聚氨酯泡沫、水和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維等復(fù)合材料和液體制成的柔性防爆罐(FEP),其主要依靠?jī)?nèi)部液體的動(dòng)量提取效應(yīng)吸收爆炸能量,并通過沖擊波反射與繞射偏轉(zhuǎn)爆炸能量,從而削弱外部沖擊波的強(qiáng)度。需要特別指出的是,本文研究的兩種典型防護(hù)裝備標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)當(dāng)量均為1 500 g TNT,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 1 500 g TNT當(dāng)量防爆罐結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of 1 500 g TNT explosion-proof tanks

為對(duì)比研究標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)當(dāng)量均為1 500 g TNT的SEP和FEP對(duì)不同當(dāng)量TNT爆炸沖擊波的防護(hù)能力,明確二者對(duì)內(nèi)爆炸沖擊波的削弱防護(hù)規(guī)律,開展750 g、1 500 g、2 250 g和3 000 g四種藥量TNT爆炸物,即0.5倍、1.0倍、1.5倍和2倍標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)當(dāng)量試驗(yàn)研究。壓裝成型的柱形TNT裝藥密度均約為1.59 g/cm3,直徑分別為80 mm、100 mm、120 mm和120 mm?？紤]過爆時(shí)SEP自身解體隨機(jī)產(chǎn)生二次破片對(duì)傳感器造成損壞,故未開展2 250 g和3 000 g TNT爆炸物的SEP防護(hù)試驗(yàn)。試驗(yàn)工況如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

現(xiàn)有防爆罐性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中缺乏沖擊波超壓指標(biāo)[15],因此本文試驗(yàn)主要參照防爆容器團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/COS 004—2019[16]和防爆桶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/BIT RXFB—1500-D1—2021[17]開展防爆性能對(duì)比試驗(yàn)。TNT炸藥離地高度為200 mm,4 m和6 m兩個(gè)爆距處分別設(shè)置3支美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的137B型自由場(chǎng)壓力傳感器,離地高度分別為300 mm、1 300 mm和 1 600 mm,以模擬爆炸場(chǎng)中人體腿部、胸腹部和頭部器官受到的沖擊波情況。不同防護(hù)條件下試驗(yàn)測(cè)試布局如圖2和圖3所示。

表1 沖擊波載荷防護(hù)試驗(yàn)工況Table 1 Shock wave load protection test conditions

圖2 沖擊波超壓試驗(yàn)測(cè)試方案Fig.2 Shock wave overpressure test scheme

圖3 爆炸沖擊波超壓試驗(yàn)測(cè)試布局Fig.3 Blast shock wave overpressure test layout

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 FAB試驗(yàn)結(jié)果

開展不同TNT藥量FAB試驗(yàn),得到典型距離處的沖擊波超壓曲線。

圖4所示為1 500 g TNT時(shí)的超壓測(cè)試曲線,圖中圖例編號(hào)分別表示TNT當(dāng)量、防爆結(jié)構(gòu)、爆距和高度,如1 500 g-FAB-L4-H0.3代表FAB時(shí),1 500 g TNT在距離爆心4 m,距離地面0.3 m處產(chǎn)生的沖擊波超壓。

圖4 FAB時(shí)1 500 g TNT藥量爆炸沖擊波超壓測(cè)試曲線Fig.4 Test curves of blast shock wave overpressure of 1 500 g TNT in FAB

完整的FAB試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出,當(dāng)TNT藥量逐漸增大時(shí),不同高度處沖擊波峰值超壓從4 m傳播至6 m過程中依次平均衰減約39.8%、40.1%、53.3%,衰減程度逐漸升高。此外,0.3 m高處的峰值超壓普遍高于1.3 m和1.6 m高處峰值超壓。沖擊波到達(dá)兩個(gè)爆距處的平均時(shí)間間隔依次為4.92 ms、4.30 ms、4.29 ms,反映出沖擊波傳播速度隨著峰值超壓的增大而增大,符合典型經(jīng)驗(yàn)公式的規(guī)律[2]。

(1)

式中:Df為沖擊波傳播速度;c0為空氣介質(zhì)聲速;γ為氣體多方指數(shù);Δp為沖擊波峰值超壓;p0為大氣壓力。

表2 FAB時(shí)沖擊波峰值相關(guān)參量試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of shock wave peak overpressure during FAB

1.3.2 SEP和FEP試驗(yàn)結(jié)果

圖5所示為1 500 g TNT藥量,SEP和FEP兩種防護(hù)裝備防護(hù)后,典型爆距處的沖擊波超壓曲線。

完整的SEP和FEP試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。其中SEP時(shí)4 m爆距0.3 m高度的峰值超壓3.78 kPa遠(yuǎn)小于正常值,這可能是試驗(yàn)中傳感器工裝松動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差,在后文分析中已剔除所有異常數(shù)據(jù)。

圖5 SEP和FEP時(shí)1 500 g TNT藥量的沖擊波超壓測(cè)試曲線Fig.5 Shock wave overpressure curves of 1 500 g TNT with SEP and FEP

表3 SEP和FEP時(shí)沖擊波相關(guān)參量試驗(yàn)結(jié)果

從表3中可以看出,SEP和FEP對(duì)沖擊波峰值超壓、正壓沖量均產(chǎn)生較大的削弱效果。以1 500 g TNT在4 m處的沖擊波峰值超壓為例,相較于FAB同高度,SEP依次削弱58.6%、49.4%和57.3%,FEP時(shí)依次削弱71.0%、59.4%和72.3%。同TNT藥量同爆距同高度處,經(jīng)FEP削弱后的沖擊波峰值超壓、正壓沖量整體低于SEP防護(hù)時(shí)的測(cè)量值。

SEP和FEP對(duì)于沖擊波超壓的傳播整體產(chǎn)生了一定延遲,爆炸物在防護(hù)裝備內(nèi)部爆炸時(shí),沖擊波向四周方向傳播時(shí)受到罐壁的防護(hù)作用而產(chǎn)生了阻擋并向可逃逸的開口處產(chǎn)生一定的繞射,從而導(dǎo)致了沖擊波到達(dá)特定爆距處的時(shí)間產(chǎn)生滯后。

而FAB和SEP的正壓區(qū)作用時(shí)間基本一致,這說明SEP僅起到了能量偏轉(zhuǎn)作用,并沒有顯著削弱、彌散爆炸沖擊波,而FEP的正壓區(qū)作用時(shí)間整體高于FAB,這是由于沖擊波在多種不同波阻抗材料界面處產(chǎn)生多次反射和透射,沖擊波與結(jié)構(gòu)的反復(fù)碰撞實(shí)現(xiàn)峰值彌散。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

為分析不同防護(hù)條件下的沖擊波傳播機(jī)理和防爆裝備的防護(hù)性能,基于有限元分析軟件分別對(duì)750 g、1 500 g、2 250 g、3 000 g四種TNT藥量的FAB沖擊波形成過程、SEP和FEP承受內(nèi)爆炸載荷下的防護(hù)性能進(jìn)行模擬分析。爆炸物底端距離地面高度200 mm,與試驗(yàn)布局完全相同。其中,近場(chǎng)沖擊波形成階段,建立1 000 mm×1 000 mm的1/2多物質(zhì)全Euler數(shù)值計(jì)算模型,采用端部中心點(diǎn)起爆方式。針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊波傳播階段,基于通量修正運(yùn)輸(FCT)方法,建立6 500 mm×6 500 mm的1/2理想氣體數(shù)值計(jì)算模型,該階段的爆炸沖擊波初始參量由近場(chǎng)階段形成的穩(wěn)定沖擊波映射而來。空氣域外沿空氣域設(shè)置Flow-out流出邊界,防止爆轟產(chǎn)物氣體和沖擊波發(fā)生反射。綜合考量數(shù)值計(jì)算精度和機(jī)時(shí)效率,將近場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格尺寸劃分為1 mm(100萬個(gè)網(wǎng)格),遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格尺寸劃分為1 cm(42.25萬個(gè)網(wǎng)格)[8],單位制為mm-mg-ms。在距離爆心4 m和6 m處,地面高0.3 m、1.3 m和1.6 m處設(shè)置固定觀測(cè)點(diǎn)。計(jì)算模型中SEP整體及FEP中的UHMWPE纖維和泡沫采用拉格朗日單元進(jìn)行建模,空氣域、水和TNT采用歐拉網(wǎng)格進(jìn)行建模。圖6為750 g TNT藥量時(shí)3種工況內(nèi)爆炸載荷下的ALE數(shù)值計(jì)算模型。

圖6 750 g TNT防爆沖擊波防護(hù)的數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical models of 750 g TNT explosion protection

2.2 材料模型

SEP和FEP承受內(nèi)爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算,涉及到炸藥、空氣、鋼、水、纖維和泡沫共 6種物質(zhì)。TNT炸藥采用標(biāo)準(zhǔn)Jones Wilkins Lee(JWL)狀態(tài)方程描述爆轟產(chǎn)物的力學(xué)行為,其參數(shù)來源于Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[18]?？諝獠捎肐deal Gas理想氣體狀態(tài)方程描述沖擊響應(yīng)行為[19]。SEP主體材料Q235鋼采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型描述[20],具體參數(shù)如表4所示。

采用Polynomial多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述內(nèi)爆炸載荷下水的力學(xué)行為[21],具體參數(shù)如表5所示。

UHMWPE纖維材料密度為0.98 g/cm3,L?ssig等[22]、Werff等[23]、L?ssig等[24]、Nguyen等[25]、Chen等[26]采用正交各項(xiàng)異性線彈性模型、多項(xiàng)式狀態(tài)方程、基于應(yīng)力的破壞失效準(zhǔn)則和軟化響應(yīng)來共同描述,其主要參數(shù)如表6所示。

表4 Q235鋼J-C本構(gòu)模型參數(shù)Table 4 Parameters of J-C constitutive model for Q235 steel

表5 水材料的Polynomial狀態(tài)方程參數(shù)Table 5 Polynomial equation of state parameters of water material

表6 UHMWPE纖維靶標(biāo)材料主要參數(shù)Table 6 Main parameters of UHMWPE fiber target material

聚氨酯泡沫材料采用Crushable foam模型,以描述泡沫在壓縮條件下的力學(xué)行為,使用壓縮試驗(yàn)下獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)其壓縮行為進(jìn)行定義[27-28],主要參數(shù)如表7所示[8]。

表7 聚氨酯泡沫主要材料參數(shù)[8]Table 7 Main material parameters of polyurethane foam[8]

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)FAB空爆沖擊波產(chǎn)生及傳播過程進(jìn)行計(jì)算分析。

(1)建立制造業(yè)企業(yè)分類目錄，推動(dòng)勞動(dòng)密集型制造業(yè)轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)型或退出。政府應(yīng)順應(yīng)勞動(dòng)力成本上升的形勢(shì)，科學(xué)地建立制造業(yè)企業(yè)分類目錄，依據(jù)所建立的目錄推動(dòng)勞動(dòng)密集型制造業(yè)轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)型或退出，改變制造業(yè)企業(yè)的“粗放型”發(fā)展方式，引導(dǎo)制造業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖7所示為750 g TNT藥量TNT近地面爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)4 m和6 m兩個(gè)典型距離處壓力(Δp+p0)分布云圖。

圖7 FAB時(shí)750 g TNT數(shù)值模擬爆炸 沖擊波壓力云圖Fig.7 Pressure nephogram for numerical simulation of 750 g TNT blast wave with FAB

從爆炸沖擊波壓力云圖可見,TNT在距離地面200 mm高度處爆炸時(shí),首先以球面波的形式向四周掃掠并傳播,同時(shí)急劇壓縮周圍空氣介質(zhì)。當(dāng)向地面?zhèn)鞑サ牟嚸娴竭_(dá)地面時(shí),一部分發(fā)生透射(主要導(dǎo)致地震波的產(chǎn)生),另一部分發(fā)生折返形成地面反射波。隨著入射波和反射波的不斷向外掃掠,二者在地面附近發(fā)生持續(xù)交匯,疊加形成沿水平地面方向擴(kuò)散的馬赫波,并且隨著爆距的增加,入射波、反射波以及馬赫波形成的三波交匯點(diǎn)逐漸抬高,該三波交匯點(diǎn)上的壓力明顯高于其他區(qū)域的壓力。綜上可以推斷,在一定爆距范圍內(nèi),距離地面越近沖擊波壓力越高,且先到達(dá)較低位置,這是由于馬赫波區(qū)域內(nèi)的空氣受到了入射沖擊波、地面反射波和馬赫波的三波壓縮作用,而馬赫波區(qū)域外的空氣介質(zhì)僅受到入射沖擊波作用。

圖8為SEP和FEP兩種防護(hù)裝備對(duì)1 500 g TNT內(nèi)爆沖擊波載荷進(jìn)行防護(hù)時(shí),4 m和6 m兩個(gè)爆距處觀測(cè)點(diǎn)記錄的沖擊波超壓曲線,該數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。SEP和FEP防護(hù)時(shí)的完整數(shù)值模擬結(jié)果如表8所示。

圖8 SEP和FEP時(shí)1 500 g TNT藥量下數(shù)值模擬的沖擊波超壓曲線Fig.8 Numerical curves of shock wave overpressure with 1 500 g TNT charge in SEP and FEP

2.4 防護(hù)過程與機(jī)理分析

基于上述數(shù)值模型,對(duì)SEP和FEP兩種防護(hù)條件下空氣沖擊波超壓削弱防護(hù)過程進(jìn)行分析。圖9所示為750 g TNT在防爆罐內(nèi)爆炸時(shí)沖擊波傳播、反射、繞射以及穩(wěn)定傳播至4 m和6 m兩個(gè)典型爆距處的壓力(Δp+p0)分布云圖。

750 g TNT在SEP內(nèi)爆時(shí),非起爆端的沖擊波最先到達(dá)底部弧面(見圖9(a)t=0.1 ms),隨后徑向沖擊波向四周傳播到達(dá)罐體內(nèi)壁后折射,與后續(xù)趕來的沖擊波發(fā)生疊加,在底部弧面和柱形內(nèi)壁焊接部位出現(xiàn)壓力陡增的現(xiàn)象(見圖9(a)t=0.2 ms),造成SEP的內(nèi)壁和底面發(fā)生塑性形變;由于徑向內(nèi)壁和底部弧面剛性反射,沖擊波在罐體對(duì)稱軸上出現(xiàn)向心匯聚和疊加,并向罐體口部傳播,此時(shí)SEP將大部分爆炸沖擊波能量導(dǎo)向至口部(見圖9(a)t=0.4 ms);由于鋼與空氣波阻抗差異較大,口部處的沖擊波向外逃逸繞射,在罐體側(cè)壁周圍空間形成低壓遮蔽區(qū),該繞射遮蔽作用是SEP削弱爆炸沖擊波的主要防護(hù)機(jī)理;繞射逃逸后的沖擊波以球面波的形貌繼續(xù)向四周掃掠傳播,當(dāng)球面波波陣面到達(dá)地面時(shí),會(huì)產(chǎn)生地面反射波,隨著入射波和反射波的不斷向外掃略,二者疊加形成沿水平地面方向擴(kuò)散的馬赫波(見圖9(a)t=7.5 ms和圖9(a)t=12.92 ms);隨著爆距的增加,入射波、反射波和馬赫波形成的三波交匯點(diǎn)逐漸抬高,該交匯點(diǎn)上的壓力顯著高于其他區(qū)域(與圖7中FAB的三波交匯原理相同)。

觀測(cè)點(diǎn)的超壓峰值和正壓沖量同樣證明了SEP防爆中馬赫波和三波交匯的存在。圖10(a)為4 m爆距不同高度處沖擊波超壓峰值、正壓沖量與TNT當(dāng)量的關(guān)系曲線,從圖中可以看出0.3 m高度處的沖擊波超壓峰值和正壓沖量均顯著大于1.3 m和1.6 m處,這是因?yàn)? m爆距0.3 m處恰好處在入射波和反射波疊加增強(qiáng)區(qū)(見圖9(a)t=7.5 ms),而此時(shí)1.3 m和1.6 m處僅有入射波作用。隨著爆距由4 m增加到6 m,0.3 m高度處的沖擊波超壓峰值和正壓沖量與1.3 m和1.6 m處的差異逐漸減小(見圖10(b)),這是三波交匯點(diǎn)逐漸抬高導(dǎo)致的。

750 g TNT在FEP內(nèi)爆時(shí),爆轟產(chǎn)物及沖擊波迅速向四周傳播擴(kuò)散至罐體內(nèi)壁和地面(見圖9(b)t=0.1 ms);隨后受泡沫和水等等多層罐體材料干擾,在纖維、水、泡沫多層介質(zhì)表面發(fā)生多次反射、透射,最終部分沖擊波透射出罐體(見圖9(b)t=0.18 ms),在此過程中水介質(zhì)通過動(dòng)量提取效應(yīng),將部分爆炸能量轉(zhuǎn)化成水的動(dòng)能,從而在罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊波的削弱[7];隨著爆炸高壓持續(xù)作用于罐體,沖擊波在罐體內(nèi)短暫密封后,迅速?gòu)墓薇诤晚斏w間逃逸后發(fā)生繞射,形成與SEP相似的低壓遮蔽區(qū)(見圖9(b)t=0.5 ms),降低了罐體側(cè)壁附近空間的沖擊波超壓;繞射逃逸后的沖擊波波陣面急劇壓縮外圍空氣介質(zhì),并快速整合形成球面波沿著徑向持續(xù)掃掠傳播,隨著爆距增加沖擊波壓力不斷衰減(見圖9(b)t=9.4 ms和圖9(b)t=14.5 ms)。此時(shí)罐體聚氨酯泡沫材料完全解體,但與爆炸熱相比,泡沫破碎吸收的能量對(duì)超壓分布的影響較小[8];水介質(zhì)完全解體,并通過動(dòng)量提取效應(yīng)吸收了部分爆炸能量。

表8 SEP和FEP時(shí)沖擊波相關(guān)參量數(shù)值模擬結(jié)果Table 8 Experimental results of shock wave during SEP and FEP

圖9 兩種防爆裝備對(duì)750 g TNT內(nèi)爆沖擊波載荷防護(hù)過程的壓力云圖Fig.9 Protection process of two explosion-proof equipment against 750 g TNT internal blast wave

圖10 SEP時(shí)4 m爆距處沖擊波超壓峰值、正壓 沖量與TNT當(dāng)量的關(guān)系曲線Fig.10 Curves of relation among shock wave overpressure peak, positive pressure impulse and TNT equivalent at 4 m explosion under SEP protection

同樣的,1 500 g、2 250 g以及3 000 g TNT在兩種防爆罐中內(nèi)爆時(shí)的沖擊波傳播機(jī)制基本相同,但隨著TNT藥量增大,傳播到達(dá)時(shí)間逐漸提前。不同的是,過爆時(shí)罐體產(chǎn)生畸變或破裂失效,沖擊波沿著裂隙逃逸,從口部逃逸和繞射沖擊波匯聚后繼續(xù)向自由空氣場(chǎng)擴(kuò)散傳播。

無論是從數(shù)值模擬還是試驗(yàn)結(jié)果來看,相同工況下,SEP防護(hù)時(shí)的絕大多數(shù)沖擊波超壓峰值比FEP的峰值更高;在較大當(dāng)量TNT(2 250 g、3 000 g)時(shí),SEP防護(hù)的絕大多數(shù)正壓沖量顯著大于FEP的沖量,而在較小當(dāng)量TNT(750 g)時(shí)兩者正壓沖量并沒有顯著差別。故推斷FEP對(duì)TNT內(nèi)爆時(shí)的沖擊波的抑制能力更強(qiáng),其原因是FEP頂蓋將半密閉內(nèi)爆炸轉(zhuǎn)變成了準(zhǔn)密閉爆炸,沖擊波通過如圖9(b)t=0.5 ms所示的縫隙逃逸至外部之前需要經(jīng)過更多次的反射和透射,沖擊波與FEP作用時(shí)間也會(huì)大幅提高,因此水介質(zhì)的動(dòng)量提取效應(yīng)、多種復(fù)合材料間不同波阻抗匹配時(shí)的反射和透射等聯(lián)合作用機(jī)制得到了顯著的增強(qiáng),從而在沖擊波繞射逃逸之前實(shí)現(xiàn)更為持久的削波和彌散抑制;而SEP沒有頂蓋結(jié)構(gòu),沖擊波僅通過單一剛性材料反射消耗后從口部繞射逃逸。

3 對(duì)比分析與討論

3.1 數(shù)值模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證

以試驗(yàn)中SEP和FEP兩種防爆裝備的標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)當(dāng)量為例,提取表3和表8中1 500 g TNT相關(guān)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)后得到SEP和FEP時(shí)沖擊波峰值超壓、到達(dá)時(shí)間的試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比,如表9所示。

由表9可以看出,沖擊波超壓峰值及到達(dá)時(shí)間的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。4 m爆距1.6 m高度處的峰值超壓誤差為24.7%,該誤差可能是傳感器固定沙袋較高,試驗(yàn)和數(shù)值模擬中地面工況不完全一致導(dǎo)致的(見圖3)。其他位置SEP和FEP防護(hù)試驗(yàn)沖擊波超壓峰值與數(shù)值仿真峰值超壓間的誤差均小于16.0%,同時(shí)沖擊波波陣面到達(dá)典型爆距處的時(shí)間也與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,各位置處誤差在15.3%以內(nèi),驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,說明該計(jì)算模型能夠捕捉到關(guān)鍵的沖擊波防護(hù)規(guī)律。

3.2 峰值超壓到達(dá)時(shí)間對(duì)比

考慮到胸腹部位的內(nèi)臟器官中胃、腸道、肺臟等含氣器官較多,且胸腹部迎風(fēng)面積較大,更加容易受到透射波的作用而發(fā)生損傷,故以胸部典型高度1.3 m為例,分析3種防護(hù)方式對(duì)超壓峰值傳播時(shí)間的影響規(guī)律。圖11所示為3種不同防護(hù)條件下的超壓峰值到達(dá)時(shí)間與不同TNT當(dāng)量之間的關(guān)系。

表9 SEP和FEP時(shí)1 500 g TNT沖擊波試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Table 9 Comparison of test and numerically simulated results of 1 500 g TNT shock wave with SEP and FEP

圖11 不同防護(hù)條件下1.3 m高度處沖擊波超壓峰值到達(dá)時(shí)間與TNT當(dāng)量的關(guān)系曲線Fig.11 Curves of relation between arrival time of shock wave overpressure peak and TNT equivalent at 1.3 m height under different protection conditions

由圖11可以發(fā)現(xiàn):3種防護(hù)條件下超壓峰值到達(dá)時(shí)間均隨著TNT當(dāng)量的增加而逐漸減小。以1 500 g TNT為例,FAB空爆時(shí)超壓峰值到達(dá)4 m處時(shí)間為5.27 ms,在4～6 m范圍內(nèi)的傳播時(shí)間ΔtFAB為4.61 ms;當(dāng)SEP防護(hù)時(shí)峰值到達(dá)4 m處時(shí)間為7 ms,顯著晚于FAB到達(dá)時(shí)間,說明沖擊波在SEP裝備內(nèi)受到了有效干擾,逃逸后的沖擊波在4～6 m范圍內(nèi)的傳播時(shí)間ΔtSEP為5.18 ms,與FAB空爆傳播時(shí)間基本一致;當(dāng)FEP防護(hù)時(shí)峰值到達(dá)4 m處時(shí)間為7.69 ms,均晚于FAB和SEP到達(dá)時(shí)間,經(jīng)過FEP防護(hù)后的沖擊波在4～6 m范圍內(nèi)的傳播時(shí)間ΔtFEP為4.97 ms,與FAB和SEP傳播時(shí)間基本相同,該結(jié)論與爆炸強(qiáng)噪聲傳播規(guī)律一致[29]。

由此可見,SEP和FEP均可對(duì)爆炸沖擊波形成有效干擾,延緩峰值到達(dá)時(shí)間,而FEP對(duì)沖擊波的延遲效應(yīng)略優(yōu)于SEP。這是因?yàn)镾EP內(nèi)的沖擊波僅通過內(nèi)壁的剛性反射和繞射后,直接向空氣中傳播;而FEP內(nèi)的沖擊波受到泡沫、水、纖維等多種不同波阻抗介質(zhì)干擾后產(chǎn)生多次反射,之后部分沖擊波從罐壁和頂蓋間發(fā)生繞射后再逃逸到空氣中,具體傳播過程如圖9所示。

3.3 峰值超壓抑制效應(yīng)對(duì)比

以1.3 m典型高度為例,進(jìn)一步分析SEP和FEP相對(duì)于FAB空爆時(shí)對(duì)沖擊波超壓峰值的抑制效應(yīng)。圖12所示為3種不同防護(hù)條件下的沖擊波超壓峰值與不同TNT當(dāng)量之間的關(guān)系。

圖12 不同防護(hù)條件下1.3 m高度處沖擊波超壓峰值與TNT當(dāng)量的關(guān)系曲線Fig.12 Curves of relation between shock wave overpressure peak and TNT equivalent at 1.3 m height under different protection conditions

從圖12中可以看出,不同防護(hù)條件下的爆炸沖擊波超壓峰值隨著TNT藥量的增加而明顯提高:

相較于FAB時(shí),SEP時(shí)4 m處超壓峰值從22.86 kPa增加到47.09 kPa,削減了59.4%～66.3%;6 m處從12.29 kPa增加到25.35 kPa,削減了55.4%～60.8%。FEP防護(hù)時(shí),4 m處從19.38 kPa增加到31.08 kPa,削減了65.6%～77.7%;6 m處超壓峰值從11.21 kPa增加到24.37 kPa,削減了57.2%～63.4%。可見4 m處,FEP比SEP具有更高的沖擊波衰減率。750 g TNT時(shí),FEP的超壓峰值衰減率為65.6%高于SEP的59.4%,且隨著藥量增加,FEP對(duì)沖擊波的防護(hù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步顯現(xiàn),3 000 g TNT時(shí),FEP的衰減率為77.7%顯著高于SEP的66.3%,這說明與SEP相比,FEP對(duì)過當(dāng)量爆炸具有更好的防護(hù)能力。

3.4 沖擊波削弱防護(hù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

(2)

(3)

(4)

圖13 兩種防護(hù)條件峰值超壓抑制因子 擬合曲線Fig.13 Fitting curves of peak overpressure inhibitory factor under two protection conditions

由圖13可以發(fā)現(xiàn),利用指數(shù)型函數(shù)進(jìn)行擬合時(shí)比較符合比值分散點(diǎn)的走勢(shì),因此SEP和FEP對(duì)沖擊波峰值超壓的抑制因子分別表示為

(5)

(6)

(7)

(8)

將削弱模型計(jì)算結(jié)果與防護(hù)試驗(yàn)和仿真得到的峰值超壓結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖14所示。由圖14可以發(fā)現(xiàn),比例距離較大時(shí)SEP和FEP防護(hù)后的峰值超壓基本一致,而比例距離較小時(shí)FEP對(duì)沖擊波的防護(hù)效果明顯優(yōu)于SEP,體現(xiàn)了FEP在過當(dāng)量爆炸防護(hù)時(shí)的優(yōu)勢(shì),這與3.3節(jié)結(jié)論一致。

圖14 峰值超壓削減模型、試驗(yàn)和仿真結(jié)果 隨比例距離變化Fig.14 Changes of peak overpressure protection model, experimental and simulated results with proportional distances

為驗(yàn)證削弱模型對(duì)沖擊波超壓峰值預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,將預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。防護(hù)試驗(yàn)沖擊波峰值超壓結(jié)果Δpexp相對(duì)于削弱模型計(jì)算結(jié)果Δpemp之間的相對(duì)誤差記為Er,exp-emp,由式(9)計(jì)算:

(9)

得出SEP和FEP峰值超壓削弱模型分別與試驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)誤差為2.4%和10.2%。這是由于FEP防護(hù)削弱模型在比例距離較小的區(qū)域數(shù)據(jù)較為波動(dòng),導(dǎo)致某些點(diǎn)處的相對(duì)誤差較大,但整體削弱趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致,對(duì)結(jié)果預(yù)測(cè)具有一定參考性。

4 結(jié)論

本文對(duì)比分析了防護(hù)當(dāng)量均為1 500 g TNT的SEP和FEP兩種典型防爆裝備對(duì)不同藥量TNT爆炸沖擊波的防護(hù)性能,分析了防爆動(dòng)態(tài)響應(yīng)與防護(hù)機(jī)理,建立了沖擊波峰值超壓削弱模型。得出主要結(jié)論如下:

1)SEP和FEP可對(duì)沖擊波超壓峰值形成有效抑制。相較于FAB,SEP可削減55.4%～66.3%,對(duì)正壓沖量削減32.1%～53.5%,FEP削減57.2%～77.7%,對(duì)正壓沖量削減50.8%～75.2%;FEP對(duì)內(nèi)爆沖擊波載荷的防護(hù)能力高于SEP,該優(yōu)勢(shì)在2 250 g、3 000 g TNT等過當(dāng)量爆炸時(shí)體現(xiàn)的更為明顯。

2)FEP和SEP主要防護(hù)機(jī)理都是沖擊波的繞射遮蔽作用,但FEP頂蓋將半密閉內(nèi)爆炸轉(zhuǎn)變成了準(zhǔn)密閉爆炸,增加了沖擊波與FEP結(jié)構(gòu)作用時(shí)間,同時(shí)水的動(dòng)量提取效應(yīng)和多種不同波阻抗材料界面的反射和透射等聯(lián)合作用機(jī)制進(jìn)一步削弱了逃逸前沖擊波的強(qiáng)度;而SEP沒有頂蓋結(jié)構(gòu),沖擊波僅通過單一介質(zhì)的剛性材料反射消耗后從口部繞射逃逸。

3)本文建立了SEP、FEP沖擊波峰值超壓削弱經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,SEP和FEP削弱模型平均誤差分別為2.4%和10.2%。該模型可為防爆結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供直接設(shè)計(jì)參考。